Die am supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger S-DALINAC durchgeführten hochauflösenden Streuexperimente erfordern eine hohe Energieschärfe des Strahls von (ΔE/E) ≈ 1×10⁻⁴. Dies erfordert die Stabilisierung von Amplitude und Phase des elektrischen Felds im Inneren der Beschleunigungsstrukturen auf (ΔA/A)ᵣₘₛ = 8×10⁻⁵ und (Δφ)ᵣₘₛ = 0.7°. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Inbetriebnahme der dafür notwendigen digitalen Hochfrequenzregelung.

Am S-DALINAC werden zwei Arten von Kavitäten verwendet. Die normalleitenden Chopper- und Buncher-Kavitäten benötigen lediglich Korrekturen für langsame Temperaturschwankungen und können durch einen Algorithmus geregelt werden, bei dem die Kavität von einem Generator getrieben wird. Die supraleitenden Beschleunigungsstrukturen weisen hingegen eine sehr hohe Güte auf, wodurch sie sehr empfindlich für Vibrationen sind. Daher werden sie in einer selbsterregten Schleife betrieben.

Die Hochfrequenzregelung basiert auf hausintern entwickelter Hardware, welche das Hochfrequenzsignal ins Basisband heruntermischt, es digitalisiert und in einen FPGA einspeist. In diesem FPGA arbeitet ein einprogrammierter digitaler Signalprozessor den Regelalgorithmus ab. Die resultierende Korrektur wird wieder auf das Hochfrequenzsignal moduliert und zur Kavität geschickt.

Alle Beschleunigerkomponenten werden von einem zentralen Kontrollraum ferngesteuert. Da komplexe und reprogrammierbare Geräte vom bestehenden Kontrollsystem nicht gut unterstützt werden, war der Entwurf und der Aufbau eines neuen Kontrollsystems ebenfalls Teil dieser Arbeit. Entscheidende Aspekte sind dabei die Erweiterbarkeit, Bedienbarkeit und Wartbarkeit des Systems. Das neue Beschleunigerkontrollsystem verwendet das EPICS-Framework als Basis, da dieses bereits einen Großteil der Basisfunktionalität wie graphische Benutzeroberflächen und flexible und schnell anpassbare Kontrollserver bereitstellt. Dies ermöglicht die Umsetzung komplexer Funktionalität wie z. B. eine umfassende Auslese und Diagnose für das HF-Regelungssystem.

Die erfassten Daten können mit einem Software-Oszilloskop und einer Spektrumanalysesoftware dargestellt werden. Weiterhin werden kontinuierlich RMS-Fehler berechnet, die genutzt werden können, um die Regelparameter sehr präzise zu optimieren und die Leistung der Regler zu überwachen.

Messungen ergaben, dass die Stabilität der Hochfrequenzregelung gegenüber dem analogen System um eine Größenordnung verbessert werden konnte, sodass nun eine Phasenstabilität von (Δφ)ᵣₘₛ = 0.8° und eine Amplitudenstabilität von (ΔA/A)ᵣₘₛ = 7×10⁻⁵ erreicht wird. Damit wird die Spezifikation im Rahmen der Messgenauigkeit erfüllt.

Die beschriebene Hochfrequenzregelung wurde vor zwei Jahren in Betrieb genommen und wird seitdem erfolgreich für den Strahlbetrieb verwendet. Während dieser Zeit erwies sich die Hochfrequenzregelung als wesentlich stabiler und zuverlässiger als das alte analoge System.